季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施
作者：付洪光喻松柏
来源：《农民致富之友》2010年第20期
一、冻胀力的形成：
影响土的冻胀因素很多，主要是水、土、温、压因素。

其中水、土是主要因素。

土的冻胀是由于土体中含水量超过起始冻胀含水量，在负温下孔隙水部分冻结，对土骨架将产生挤压力。

如果未冻水没有向外排泄条件，土开始冻胀。

但如果能将其余未冻水挤走，以上体积增量将由孔隙中剩余空间所容纳，土体也不会产生冻胀。

如果冻胀过程中有外水补给发生了强烈的水分迁移，生成大量的冰夹层，将产生强烈的冻胀。

经观测：冰夹层的厚度大致等于冻胀量。

沿冻深分步的冰夹层基本上代表了冻胀量沿冻深的分步情况。

上层土的冻夹层厚而稀，而下层土的冰夹层薄而密。

土壤粒径、级配及温度变化，外水补给，外荷载的大小等都直接影响冻胀的程度。

当土粒的粒径为0.05～０.002mm之间，土中水分迁移剧烈，土的冻胀量比较大，这种土的吸引水分能力强。

土体中水分的迁移是靠结晶力、吸附力、毛细力、温度差和表面能差产生薄膜水移动，其中冰结晶力、毛细力和表面能差是水分迁移的主要动力。

土体冻结时，冻结面附着土颗粒的水膜被冰晶体吸薄，为了维持颗粒表面能的平衡，其他土颗粒的水膜向较薄的颗粒表面移动，为达能量的平衡，不断的移动，不断的冻结，放出潜热结晶成冰。

季节性冻土地区经过多次冻融循环，土的孔隙比是比较大的，冻结期土经过不均匀的冻胀，冻结面是一个凹凸不平的曲面，在冻层由于冻胀而上抬的过程中凹面处形成孔缝，造成负压区，迁移的水聚集到此而结晶成冰夹层。

这种冰夹层体积膨胀9％，产生了内压力，这种对基础挤压和抬起的能力称之谓冻胀力。

1、封闭式和开敞式冻胀的区别：
（1）封闭式冻胀：在没有外水补给的条件下，土体中原驻水引起的冻胀为封闭式冻胀，当土体中原驻水小于起始冻胀含水量(粘土W0=13.0)冻结时不但没有冻胀，反而产生冻缩。

表现地面出现下降，体积缩小。

当土体中原驻水大于起始冻胀含水量W0时，在没有外水补给的条件下，虽然产生冻胀，但冻胀量不大。

（2）开敞式冻胀：是除土体中有原驻水外，更主要是有外水补给，源源不断地迁移来的水聚集在冻结面处，放出潜热结晶成冰夹层，经观测冰夹层厚度约1—3cm。

产生冻胀力，严重的破坏水工建筑物。

2、地下水位的高低是土冻胀强弱的重要因素，冻前地下水位高，水分向冻结面迁移的距离短，水份迁移的快，冻胀量就大。

地下水位低，水分向冻结面迁移的距离长，水分迁移的慢，冻胀量就小，经实践证明，地下水位在冻结前根据不同土质低于冻结锋面的最小距离(见下表）时，土体有轻微的冻胀或不冻胀。

根据这个依据，设计水工建筑物基础前要先对地下水位进行测量，确定基础埋深。

而不考虑此条件一律深基础是一个很大的浪费。

例如1975年设计的东方红水库灌区一、三支渠进水闸，地下水位低于渠底2.0m，故采用浅基底板厚0.7m，下部换l.07m砂砾石，经过21年的观测没有发生冻害。

此外土的级配密度对冻胀性的影响也不可忽视。

因密度大小直接影响孔隙水含量，影响水分迁移。

当土的密度大于1.6g/cm3时地基土不会产生显著冻胀。

因此，采用提高土体密度的压实措施，可以防止地基冻胀。

二、基础冻胀的受力分析：
冻结过程中，产生等温面，等温面基本上平行于基础面。

1、基底法向冻胀力和对建筑物的破坏型式：
基底受冻胀时等温面基本上平行于基底，而产生的法向冻胀力是垂直于等温面的，即垂直于基底。

在不均匀的法向冻胀力的作用下，外荷载强度小于基底法向冻胀力的强度时，建筑物就会整体上抬。

或者在法向冻胀力作用下，基础底板中间产生负弯矩M，当超过极限值时基础开始裂纹。

在春季地基融沉时，由于基础周围边界条件的影响，基础底板靠自重不能与融化的地基土同步下沉、复位，造成下渗流量大，冲刷地基，危害建筑物的安全，这是某些中小型水闸失事的一个重要原因。

为了防止上述破坏，在修长富电站时在设计上采用了倒置盒式的基础，增大了基底的刚度，下部换砂砾石。

据30年来的观测没有发生抬起和断裂，防止了冻胀。

2、基侧法向冻胀力及对建筑物破坏型式：
基侧法向冻胀力是垂直于等温面的，以挡土墙为例，墙后的土体冻胀属于双向冻结，垂直于地面的冻胀力只能抬高墙后土体，对墙无害，但垂直墙的法向冻胀力是直接造成挡土墙断裂、位移等主要因素。

特别是翼墙拐角处，应力集中的原故，破坏更为严重。

三、水工建筑物的冻害防治措施：
(一)结构措施
1、倒置盒形及箱格形基础板
一般作用于浅基础板上的法向冻胀力很大，为增加底板抗变形能力，增加刚度，做成倒置盒型基础，并在其底部换砂砾石，右图为长富电站基础板的结构形式，用浆砌石制作的底板中间换砂，经过30多年的运用，经检查没有发生冻胀破坏。

如在底部用沥清或塑料膜隔水，效果会更好。

2、与爆破桩相结合的板型基础。

此法是用桩或柱的扩大基础来减小基底法向冻胀力。

3、深基础法。

此法需将基础每处都置于最大冻深以下，基础厚度几乎等于最大冻深，此法不经济，造价高。

4、桩、柱结构采用扩底桩法或扩大式基础，甚至可以采用锚固底梁法，但都要在冻深以下。

(二)、改变地基土的土、水、温状态：
1、换填砂砾(卵石)料，包括基础换砂和回填砂砾料，必须有排水设施能够排走砂砾料中的水。

也可改用沥青砂卵石，并夯实。

2、排水设施：无论冻胀性强的粘土还是冻胀性弱的砂砾料，设置排水后均会显著降低冻胀力。

3、保温措施：保温措施是通过减轻寒冷因素的办法削减冻胀力。

以上是自己在工作实践中的一点体会，有不当之处请予以指正。

(作者单位：152500 黑龙江省铁力市水务局)。